直線運(yùn)動系統(tǒng)存在于無數(shù)機(jī)器中，僅舉幾個(gè)例子，包括精密激光切割系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室自動化設(shè)備、半導(dǎo)體制造機(jī)器、CNC機(jī)器、工廠自動化和許多其他設(shè)備。它們從相對簡單的(如乘用車中的廉價(jià)座椅致動器)到復(fù)雜的多軸坐標(biāo)系，包括用于閉環(huán)定位的控制和驅(qū)動電子設(shè)備。無論多簡單或多復(fù)雜的直線運(yùn)動系統(tǒng)，在最基本的層面上，它們都有一個(gè)共同點(diǎn)：在特定的時(shí)間內(nèi)將負(fù)載移動一段直線距離。

　　設(shè)計(jì)直線運(yùn)動系統(tǒng)最常見的問題之一是電機(jī)技術(shù)。技術(shù)一旦選定，電機(jī)的尺寸需要滿足負(fù)載加速的要求，克服系統(tǒng)摩擦力和重力的影響，同時(shí)保持安全的最高工作溫度。電機(jī)的扭矩、速度、功率和定位能力是電機(jī)設(shè)計(jì)、驅(qū)動和控制的函數(shù)。

　　一、應(yīng)該從什么電機(jī)入手？

　　用特定電機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)直線運(yùn)動系統(tǒng)時(shí)，需要考慮很多應(yīng)用問題。對整個(gè)過程的詳細(xì)解釋超出了本文的范圍。目的是讓你在與汽車供應(yīng)商交談時(shí)考慮問正確的問題。

　　沒有適合所有應(yīng)用的最佳電機(jī)，但有適合特定應(yīng)用的最佳電機(jī)。在大多數(shù)增量運(yùn)動應(yīng)用中，可以選擇步進(jìn)電機(jī)、無刷DC電機(jī)或無刷DC電機(jī)。最復(fù)雜的運(yùn)動系統(tǒng)可以使用直接耦合到負(fù)載的線性電機(jī)，避免了機(jī)械功率轉(zhuǎn)換的需要；不需要通過螺桿/滾珠螺桿、齒輪箱或滑輪系統(tǒng)進(jìn)行平移。雖然具有無芯直接驅(qū)動的線性伺服系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)最高的精度、可重復(fù)性和定位分辨率，但是與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，它們具有最高的成本和復(fù)雜性。使用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的架構(gòu)要便宜得多，可以滿足大多數(shù)直線運(yùn)動應(yīng)用。

　　步進(jìn)電機(jī)、有刷電機(jī)、無刷電機(jī)都視為DC電機(jī)；然而，有一些微妙之處會導(dǎo)致工程師在特定應(yīng)用中更喜歡一種類型而不是另外兩種類型。必須強(qiáng)調(diào)的是，這種選擇高度依賴于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，不僅在速度和扭矩方面，而且在定位精度、可重復(fù)性和分辨率方面。沒有適用于所有應(yīng)用的完美電機(jī)，所有決策都需要在設(shè)計(jì)中進(jìn)行權(quán)衡。在最基本的層面上，所有電機(jī)，無論是交流電機(jī)還是DC電機(jī)、有刷電機(jī)、無刷電機(jī)或任何其他電機(jī)，都是根據(jù)相同的物理原理來產(chǎn)生扭矩的：磁場的相互作用。然而，這些不同電機(jī)技術(shù)在具體應(yīng)用中的響應(yīng)模式存在巨大差異。

　　步進(jìn)、有刷伺服和無刷伺服電機(jī)技術(shù)都采用DC電源供電。對于線性運(yùn)動應(yīng)用，這并不意味著固定的DC電源可以直接應(yīng)用于電機(jī)繞組。需要電子設(shè)備來控制繞組電流(與輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān))和繞組電壓(與輸出速度有關(guān))。這三種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如下。線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從負(fù)載質(zhì)量和負(fù)載從A點(diǎn)移動到b點(diǎn)所需的速度開始。電機(jī)類型、尺寸和機(jī)械設(shè)計(jì)從移動負(fù)載所需的功率(瓦特)開始。從負(fù)載開始，最后通過所有組件返回到驅(qū)動電源，分析是一系列步驟，以了解從系統(tǒng)的一部分到另一部分的功率轉(zhuǎn)換，同時(shí)考慮中間組件的各種效率。以電壓和電流形式進(jìn)入驅(qū)動器的功率最終會轉(zhuǎn)換為機(jī)械輸出功率，在特定時(shí)間內(nèi)驅(qū)動給定的負(fù)載。

　　為了獲得負(fù)載所需輸出功率的指示，簡單的功率計(jì)算將有助于電機(jī)運(yùn)行。知道了所需的平均輸出功率后，再回到電機(jī)，驅(qū)動各種功率轉(zhuǎn)換元件，就完成了功率需求的分析。應(yīng)參考制造商的數(shù)據(jù)來考慮各種組件的效率，因?yàn)檫@將最終決定電機(jī)和電源的大小。

　　二、在要求的時(shí)間內(nèi)移動負(fù)載需要多少功率？

　　克服重力舉起一個(gè)9公斤重的物體大約需要88N的力。計(jì)算移動負(fù)載所需的功率將為確定系統(tǒng)其余部分的組件提供一個(gè)起點(diǎn)。這是在1秒鐘內(nèi)將9公斤的質(zhì)量從A點(diǎn)垂直移動到B點(diǎn)所需的平均功率。包括諸如非摩擦的系統(tǒng)損失。根據(jù)系統(tǒng)中使用的其他部件，如齒輪箱和絲杠，所需的電機(jī)軸功率會略高。

　　P=(F  S)/t

　　P=(88N  0.2m)/1.0s=17.64w

　　這不同于系統(tǒng)所需的峰值功率。一旦考慮到加速和減速，運(yùn)動曲線中的瞬時(shí)功率會略高；然而，負(fù)載所需的平均輸出功率約為18瓦。在對所有組件進(jìn)行徹底分析后，像這樣的系統(tǒng)將需要大約37w的峰值功率來完成這項(xiàng)工作。這些信息和各種其他應(yīng)用規(guī)范現(xiàn)在將有助于選擇最合適的電機(jī)技術(shù)。

　　三、應(yīng)該考慮什么樣的電機(jī)技術(shù)？

　　出色的定位能力和相對簡單的控制會引導(dǎo)設(shè)計(jì)者首先考慮使用步進(jìn)電機(jī)的可能性。然而，步進(jìn)電機(jī)在滿足負(fù)載需求的同時(shí)，不能滿足小型機(jī)械占地面積的要求。37W的峰值功率要求將需要非常大的步進(jìn)電機(jī)。雖然步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)具有非常高的扭矩，但運(yùn)動曲線的峰值速度和功率要求超過了除最大步進(jìn)電機(jī)之外的所有步進(jìn)電機(jī)的能力。

　　有刷DC伺服電機(jī)會滿足負(fù)載要求，機(jī)械占地面積小，低速旋轉(zhuǎn)非常穩(wěn)定；然而，由于嚴(yán)格的EMC要求，最好避免在這種特殊應(yīng)用中使用有刷電機(jī)。與無刷系統(tǒng)相比，這將是一種更便宜的替代方案，但可能很難通過任何嚴(yán)格的EMC要求。采用正弦驅(qū)動系統(tǒng)的無刷DC電機(jī)將是滿足所有應(yīng)用要求的首選，包括負(fù)載和運(yùn)動曲線(高功率密度)；低速平穩(wěn)無齒輪運(yùn)動；和小的機(jī)械足跡。在這種情況下，由于高頻開關(guān)驅(qū)動電子設(shè)備，仍然存在潛在的EMI特性；但由于頻帶較窄，可以采用在線濾波來緩解這種情況。有刷DC電機(jī)具有更寬的EMI特性，這使得其濾波更具挑戰(zhàn)性。

　　四、電機(jī)選擇只是開始

　　在本文中，我們簡要討論了設(shè)計(jì)人員在為相對簡單的直線運(yùn)動應(yīng)用選擇電機(jī)技術(shù)時(shí)需要考慮的各種因素。雖然對于更復(fù)雜的系統(tǒng)(如XY工作臺或多軸精密機(jī)構(gòu))原理是一樣的，但需要單獨(dú)分析各軸的負(fù)載。本文范圍之外的另一個(gè)考慮因素是如何選擇合適的安全系數(shù)來滿足系統(tǒng)的預(yù)期壽命(循環(huán)次數(shù))。系統(tǒng)的壽命不僅取決于電機(jī)的大小，還取決于系統(tǒng)中的其他機(jī)械部件，如齒輪箱和螺桿組件。其他因素如定位精度、分辨率、可重復(fù)性、最大滾動、俯仰和偏航等。

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